引用本文: 嚴新安, 姚相雨, 方躍, 梁羽, 楊云, 黃富國. 鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨治療比格犬脛骨平臺塌陷活體模型的生物力學試驗. 中國修復重建外科雜志, 2018, 32(12): 1549-1553. doi: 10.7507/1002-1892.201807024 復制
據統計,約 50% 脛骨平臺骨折 AO 分型為 B2 型和 B3 型,這兩類多伴有脛骨外側平臺塌陷型骨折,常見于中老年,尤其是老年女性,以低能量損傷多見[1]。治療主要是解剖復位、堅強內固定、修復骨缺損[2],盡量達到恢復關節面穩定性和完整性的目的,減少術后下肢力線改變和膝關節不穩的發生[3]。脛骨平臺塌陷型骨折由于后期常出現創傷后骨關節炎[4],療效并不十分滿意,治療難點之一就是關節面穩定性和完整性的重建和維持。目前脛骨平臺骨折重建關節面時使用的材料和方法多種多樣[5-6],有自體骨及羥基磷灰石等人工骨,多在撬撥關節面復位后填塞入骨缺損區域,但效果不一,存在強度差、脆性高等缺點。近年,鎳鈦合金因具有強度高、生物相容性優良等特性,在骨科及口腔醫學方面有所應用,但鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨暫未應用于塌陷型骨折研究。我們前期尸體模型力學試驗[7]結果顯示,鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨組標本軸向剛度優于單純自體骨組及單純人工骨組。我們設想利用鎳鈦三維記憶合金網填塞入骨折缺損區彌補單純植骨力學強度較差的不足,同時復合自體骨內含有骨誘導生長因子等優勢,可能促進脛骨平臺骨愈合。因此本實驗將鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨應用于比格犬脛骨平臺塌陷型骨折活體模型,并與其他干預措施比較術后 5 個月的生物力學試驗結果,以驗證該方案的效果。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
健康 12 月齡比格犬 16 只,雌雄不限,體質量 9~12 kg,平均 10.2 kg;步態正常,四肢無異常,單籠喂養;由四川省實驗動物專委會養殖場提供。
鎳鈦三維記憶合金網:根據我們前期對成年比格犬正常脛骨平臺的解剖測量結果,自行設計類圓柱型彈簧狀器材,長 10 mm、直徑約 8 mm,由蘭州西脈記憶合金有限公司制備。見圖 1。

人工合成骨為醫用納米羥基磷灰石/聚酰胺 66 復合骨填充材料(四川國納科技有限公司);2.4 mm 5 孔 T 形鋼板及配套螺釘(山東威高骨科材料股份有限公司)。Instron 8874 生物力學試驗機由四川大學華西醫院生物力學實驗室提供,配套標本固定裝置在五金產品店定制。
1.2 犬脛骨平臺塌陷型骨折模型制備方法
參考 Wheeler 等[8]的羊脛骨平臺骨折模型制備方法,全麻下于比格犬左后肢脛骨外側 Gerdy 結節呈弧形至脛骨結節前外側、再向下延伸 2 cm 作切口,顯露脛骨上段外側面,使用磨鉆在 Gerdy 結節下約 6 mm 處制作深度約 8 mm、直徑約 8 mm 的類圓孔狀骨缺損,再將圓孔上方骨質鋸斷,使其受壓后可下降,模擬 Schatzker Ⅲ型脛骨平臺骨折。見圖 2。另外取其左前肢腓骨中段約 3 cm 皮質骨,制成骨粒,備用。

a. 手術體位及切口設計;b. 模型制備完成;c. 骨缺損外側行鋼板螺釘內固定
Figure2. Preparation of the living model of canine tibial plateau collapse fracture and the surgical interventiona. The operative position and incision; b. Fracture model; c. The plate and screw were fixed outside the bone defect
1.3 實驗分組及方法
采用編號后隨機抽簽方式,將 16 只比格犬分 A、B、C、D 4 組,每組 4 只。A 組為鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨組,造模后 4 h 內于骨缺損區置入鎳鈦三維記憶合金網,網內植滿自體骨粒,后在骨缺損區外側采用 2.4 mm 5 孔 T 形鋼板、螺釘固定;B 組為人工合成骨組,骨缺損區直接植滿人工合成骨(納米羥基磷灰石顆粒),不作取自體骨處理,同 A 組方法外側固定;C 組為自體骨組,缺損區直接植滿自體骨粒,同 A 組方法外側固定;D 組為正常對照組,不作任何處理。大量生理鹽水沖洗,逐層縫合切口,無菌敷料包扎,手術過程嚴格無菌操作。A~C 組實驗動物術前均禁飲食 6 h。所有實驗動物術后 3 d 給予青霉素鈉預防感染,切口每隔 2 d 換藥 1 次,痊愈后拆線。術后觀察比格犬飲食、排便和活動情況以及切口狀況。
1.4 生物力學試驗
術后 5 個月采用空氣栓塞法處死所有實驗動物,于每只犬左后肢膝關節上 6 cm 處離斷股骨,膝關節下 10 cm 處離斷脛骨,剔除標本上的髕骨、腓骨及軟組織,置于?80°C 冰箱中保存,測試前 3 h 取出標本于室溫下自然解凍。將解凍的標本置于固定裝置上,股骨及脛骨分別套在上下 2 根鋼管內,然后置于 Instron 8874 生物力學試驗機中,調整脛骨平臺位置,使加壓器受力點主要作用于脛骨缺損區域。最后用配套螺絲分別穿過股骨髁、脛骨遠端,將其固定于鋼管內。見圖 3。

將測量感應器置于標本上,測試機預設加壓速度為 1 mm/min,每份標本從 0 N 開始持續縱向受力,加載過程保持穩妥,自動記錄受力載荷為 50、100、200、300 N 直至標本斷裂時的位移及最大失效載荷(即標本斷裂時的載荷量),計算軸向剛度(載荷/位移)。
1.5 統計學方法
采用 SPSS24.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用 LSD 檢驗;檢驗水準 α=0.05。
2 結果
術后所有實驗動物均無死亡,切口均無感染且均Ⅰ期愈合;術后 1~3 d 開始可自行站立活動,進食基本正常,未見明顯患肢畸形等異常。術后 5 個月大體觀察脛骨平臺標本關節面均完整光滑,未見關節面明顯塌陷。A、D 組標本最大失效載荷及軸向剛度均顯著高于 B、C 組,差異有統計學意義(P<0.05);A、D 組間及 B、C 組間比較差異均無統計學意義(P>0.05)。見表 1及圖 4。




a. 位移-載荷曲線;b. 軸向剛度-載荷曲線
Figure4. Biomechanical test results of 4 groupsa. Displacement-loading curve; b. Axial stiffness-loading curve
3 討論
脛骨平臺骨折為關節內骨折,當關節面塌陷高度≥8 mm 時,Bonnett 和 Browner 等均推薦手術治療[9]。本研究中比格犬脛骨平臺塌陷高度均達到 8 mm。治療的難點和重點是重建及維持關節面的完整性及穩定性,但由于人正常平地行走時脛骨平臺承受的負荷可達到人體體質量的 3 倍[10],這要求植骨材料有一定的結構支撐作用,在促進患者早期下地活動同時不增加平臺二次塌陷發生率。
目前對于修復脛骨平臺骨缺損的最佳材料和方法尚缺乏充足參考依據[5],但大多數學者認為治療骨缺損的首選方法還是自體松質骨移植[11]。但松質骨力學強度差,Wheeler 等[8]使用 7 只羊制備脛骨平臺軟骨下大塊骨缺損模型,將自體髂骨移植于骨缺損處,術后 3 個月發現脛骨平臺關節面塌陷 2 例,塌陷率高達 29%,意味著患者術后患肢將長期不能負重,延長了骨折愈合時間。而人工合成骨如較常用的羥基磷灰石等降解速度慢、重塑能力差[12],不利于新骨的長入;同時脆性高,受力時易破碎[13],這都不利于早期鍛煉和骨折愈合。
鎳鈦記憶合金作為一種新型材料,具有強度高、無磁、無毒、耐腐蝕和優良的生物相容性[14-16],在頸椎病、股骨頭壞死、尺橈骨骨折等疾病以及口腔領域的治療[17-22]方面發揮了一定作用。本實驗是鎳鈦記憶合金首次用于治療動物脛骨平臺塌陷型骨折的研究,是鎳鈦記憶合金治療比格犬脛骨平臺塌陷型骨折尸體模型實驗的后續研究。由于老年比格犬及骨質疏松犬模型樣本個體差異遠大于健康年輕比格犬,其所需樣本量較健康年輕比格犬大,故我們選擇健康年輕(12 月齡)比格犬作為實驗對象;同時考慮脛骨平臺骨折取髂骨后關節面塌陷率高達 29%[8],故采用皮質骨作為自體骨植骨材料。
本實驗術后 5 個月時大體觀察,各組標本均未見關節面二次塌陷。而 Wheeler 等[8]使用 7 只羊制作脛骨平臺塌陷型骨折模型,行自體髂骨移植,術后 3 個月發現脛骨平臺關節面塌陷率高達 29%。我們分析本實驗結果與 Wheeler 等的研究結果不一致的原因,可能有以下兩點:① 受限于本次實驗條件,比格犬術后雖然早期即開始活動,但僅在飼養籠內活動,活動范圍及強度有限,使得本次實驗未能完全體現出鎳鈦三維記憶合金網支撐作用的優勢;②Wheeler 等的實驗未使用 T 形鋼板固定以及自體皮質骨植骨。
本實驗中,A、B、C 組均在脛骨平臺骨缺損外側加用了 T 形鋼板,與目前臨床常用術式相同,3 組不同之處在于植骨材料。術后 5 個月時 A 組的最大失效載荷和軸向剛度達到了 D 組水平,說明在術后 5 個月時 A 組幾乎達到了未骨折時的力學強度水平,而采用人工合成骨和自體骨處理的 B、C 組則完全未達到,實驗的理論設想基本得到了驗證。該結果提示在本研究條件下,鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨較人工合成骨或單純自體骨治療脛骨平臺塌陷型骨折效果更加可靠。
根據本實驗過程,我們認為采用該方法時需要注意以下事項:① 鎳鈦三維記憶合金網與缺損區大小匹配度:一是缺損區內部大小與三維記憶合金網的寬、高匹配,在一定程度上可以使得骨折缺損區域呈面狀受力,應力可及時分散,受力均勻,不存在線性受力、合金網松動、不恰當形變等問題,從而使三維記憶合金網起到有效的支撐作用。二是鎳鈦三維記憶合金網長度應超過缺損區,本實驗使用的鎳鈦三維記憶合金網較骨缺損長 2 mm,旨在便于外側的鋼板對合金網產生橫向加壓,從而增強合金網的縱向抗壓能力,使得合金網受到關節面縱向加壓時不易產生過大形變。② 自體骨夯實鎳鈦三維記憶合金網不留空隙,可以減少合金網的形變,也降低自體骨反復松動等風險。③ 鋼板與骨面的松緊:這取決于鋼板塑形程度以及螺釘的把持力等。鋼板與骨面良好貼附和牢固固定可給予合金網合適的橫向加壓,同時也有利于減少關節面的二次塌陷。④ 早期活動時間和強度:對于早期長時間行走和奔跑方面,本實驗未設置活動量不同的對照組,因此還需進一步實驗證明。
綜上述,對于比格犬脛骨平臺塌陷型骨折,使用三維記憶合金網復合自體骨治療效果優于人工合成骨和自體骨,術后 5 個月生物力學表現與正常脛骨平臺無統計學差異。但本研究還存在一些不足:① 人工合成骨組比格犬未行自體骨制備(腓骨截骨)處理,可能會影響檢測結果;② 比格犬術后于籠內活動,未進行正常活動;③ 未行連續 X 線片檢查,未能觀察到骨愈合連續過程。這些不足有待更大樣本量的活體動物實驗完善。
據統計,約 50% 脛骨平臺骨折 AO 分型為 B2 型和 B3 型,這兩類多伴有脛骨外側平臺塌陷型骨折,常見于中老年,尤其是老年女性,以低能量損傷多見[1]。治療主要是解剖復位、堅強內固定、修復骨缺損[2],盡量達到恢復關節面穩定性和完整性的目的,減少術后下肢力線改變和膝關節不穩的發生[3]。脛骨平臺塌陷型骨折由于后期常出現創傷后骨關節炎[4],療效并不十分滿意,治療難點之一就是關節面穩定性和完整性的重建和維持。目前脛骨平臺骨折重建關節面時使用的材料和方法多種多樣[5-6],有自體骨及羥基磷灰石等人工骨,多在撬撥關節面復位后填塞入骨缺損區域,但效果不一,存在強度差、脆性高等缺點。近年,鎳鈦合金因具有強度高、生物相容性優良等特性,在骨科及口腔醫學方面有所應用,但鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨暫未應用于塌陷型骨折研究。我們前期尸體模型力學試驗[7]結果顯示,鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨組標本軸向剛度優于單純自體骨組及單純人工骨組。我們設想利用鎳鈦三維記憶合金網填塞入骨折缺損區彌補單純植骨力學強度較差的不足,同時復合自體骨內含有骨誘導生長因子等優勢,可能促進脛骨平臺骨愈合。因此本實驗將鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨應用于比格犬脛骨平臺塌陷型骨折活體模型,并與其他干預措施比較術后 5 個月的生物力學試驗結果,以驗證該方案的效果。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
健康 12 月齡比格犬 16 只,雌雄不限,體質量 9~12 kg,平均 10.2 kg;步態正常,四肢無異常,單籠喂養;由四川省實驗動物專委會養殖場提供。
鎳鈦三維記憶合金網:根據我們前期對成年比格犬正常脛骨平臺的解剖測量結果,自行設計類圓柱型彈簧狀器材,長 10 mm、直徑約 8 mm,由蘭州西脈記憶合金有限公司制備。見圖 1。

人工合成骨為醫用納米羥基磷灰石/聚酰胺 66 復合骨填充材料(四川國納科技有限公司);2.4 mm 5 孔 T 形鋼板及配套螺釘(山東威高骨科材料股份有限公司)。Instron 8874 生物力學試驗機由四川大學華西醫院生物力學實驗室提供,配套標本固定裝置在五金產品店定制。
1.2 犬脛骨平臺塌陷型骨折模型制備方法
參考 Wheeler 等[8]的羊脛骨平臺骨折模型制備方法,全麻下于比格犬左后肢脛骨外側 Gerdy 結節呈弧形至脛骨結節前外側、再向下延伸 2 cm 作切口,顯露脛骨上段外側面,使用磨鉆在 Gerdy 結節下約 6 mm 處制作深度約 8 mm、直徑約 8 mm 的類圓孔狀骨缺損,再將圓孔上方骨質鋸斷,使其受壓后可下降,模擬 Schatzker Ⅲ型脛骨平臺骨折。見圖 2。另外取其左前肢腓骨中段約 3 cm 皮質骨,制成骨粒,備用。

a. 手術體位及切口設計;b. 模型制備完成;c. 骨缺損外側行鋼板螺釘內固定
Figure2. Preparation of the living model of canine tibial plateau collapse fracture and the surgical interventiona. The operative position and incision; b. Fracture model; c. The plate and screw were fixed outside the bone defect
1.3 實驗分組及方法
采用編號后隨機抽簽方式,將 16 只比格犬分 A、B、C、D 4 組,每組 4 只。A 組為鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨組,造模后 4 h 內于骨缺損區置入鎳鈦三維記憶合金網,網內植滿自體骨粒,后在骨缺損區外側采用 2.4 mm 5 孔 T 形鋼板、螺釘固定;B 組為人工合成骨組,骨缺損區直接植滿人工合成骨(納米羥基磷灰石顆粒),不作取自體骨處理,同 A 組方法外側固定;C 組為自體骨組,缺損區直接植滿自體骨粒,同 A 組方法外側固定;D 組為正常對照組,不作任何處理。大量生理鹽水沖洗,逐層縫合切口,無菌敷料包扎,手術過程嚴格無菌操作。A~C 組實驗動物術前均禁飲食 6 h。所有實驗動物術后 3 d 給予青霉素鈉預防感染,切口每隔 2 d 換藥 1 次,痊愈后拆線。術后觀察比格犬飲食、排便和活動情況以及切口狀況。
1.4 生物力學試驗
術后 5 個月采用空氣栓塞法處死所有實驗動物,于每只犬左后肢膝關節上 6 cm 處離斷股骨,膝關節下 10 cm 處離斷脛骨,剔除標本上的髕骨、腓骨及軟組織,置于?80°C 冰箱中保存,測試前 3 h 取出標本于室溫下自然解凍。將解凍的標本置于固定裝置上,股骨及脛骨分別套在上下 2 根鋼管內,然后置于 Instron 8874 生物力學試驗機中,調整脛骨平臺位置,使加壓器受力點主要作用于脛骨缺損區域。最后用配套螺絲分別穿過股骨髁、脛骨遠端,將其固定于鋼管內。見圖 3。

將測量感應器置于標本上,測試機預設加壓速度為 1 mm/min,每份標本從 0 N 開始持續縱向受力,加載過程保持穩妥,自動記錄受力載荷為 50、100、200、300 N 直至標本斷裂時的位移及最大失效載荷(即標本斷裂時的載荷量),計算軸向剛度(載荷/位移)。
1.5 統計學方法
采用 SPSS24.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示,組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用 LSD 檢驗;檢驗水準 α=0.05。
2 結果
術后所有實驗動物均無死亡,切口均無感染且均Ⅰ期愈合;術后 1~3 d 開始可自行站立活動,進食基本正常,未見明顯患肢畸形等異常。術后 5 個月大體觀察脛骨平臺標本關節面均完整光滑,未見關節面明顯塌陷。A、D 組標本最大失效載荷及軸向剛度均顯著高于 B、C 組,差異有統計學意義(P<0.05);A、D 組間及 B、C 組間比較差異均無統計學意義(P>0.05)。見表 1及圖 4。




a. 位移-載荷曲線;b. 軸向剛度-載荷曲線
Figure4. Biomechanical test results of 4 groupsa. Displacement-loading curve; b. Axial stiffness-loading curve
3 討論
脛骨平臺骨折為關節內骨折,當關節面塌陷高度≥8 mm 時,Bonnett 和 Browner 等均推薦手術治療[9]。本研究中比格犬脛骨平臺塌陷高度均達到 8 mm。治療的難點和重點是重建及維持關節面的完整性及穩定性,但由于人正常平地行走時脛骨平臺承受的負荷可達到人體體質量的 3 倍[10],這要求植骨材料有一定的結構支撐作用,在促進患者早期下地活動同時不增加平臺二次塌陷發生率。
目前對于修復脛骨平臺骨缺損的最佳材料和方法尚缺乏充足參考依據[5],但大多數學者認為治療骨缺損的首選方法還是自體松質骨移植[11]。但松質骨力學強度差,Wheeler 等[8]使用 7 只羊制備脛骨平臺軟骨下大塊骨缺損模型,將自體髂骨移植于骨缺損處,術后 3 個月發現脛骨平臺關節面塌陷 2 例,塌陷率高達 29%,意味著患者術后患肢將長期不能負重,延長了骨折愈合時間。而人工合成骨如較常用的羥基磷灰石等降解速度慢、重塑能力差[12],不利于新骨的長入;同時脆性高,受力時易破碎[13],這都不利于早期鍛煉和骨折愈合。
鎳鈦記憶合金作為一種新型材料,具有強度高、無磁、無毒、耐腐蝕和優良的生物相容性[14-16],在頸椎病、股骨頭壞死、尺橈骨骨折等疾病以及口腔領域的治療[17-22]方面發揮了一定作用。本實驗是鎳鈦記憶合金首次用于治療動物脛骨平臺塌陷型骨折的研究,是鎳鈦記憶合金治療比格犬脛骨平臺塌陷型骨折尸體模型實驗的后續研究。由于老年比格犬及骨質疏松犬模型樣本個體差異遠大于健康年輕比格犬,其所需樣本量較健康年輕比格犬大,故我們選擇健康年輕(12 月齡)比格犬作為實驗對象;同時考慮脛骨平臺骨折取髂骨后關節面塌陷率高達 29%[8],故采用皮質骨作為自體骨植骨材料。
本實驗術后 5 個月時大體觀察,各組標本均未見關節面二次塌陷。而 Wheeler 等[8]使用 7 只羊制作脛骨平臺塌陷型骨折模型,行自體髂骨移植,術后 3 個月發現脛骨平臺關節面塌陷率高達 29%。我們分析本實驗結果與 Wheeler 等的研究結果不一致的原因,可能有以下兩點:① 受限于本次實驗條件,比格犬術后雖然早期即開始活動,但僅在飼養籠內活動,活動范圍及強度有限,使得本次實驗未能完全體現出鎳鈦三維記憶合金網支撐作用的優勢;②Wheeler 等的實驗未使用 T 形鋼板固定以及自體皮質骨植骨。
本實驗中,A、B、C 組均在脛骨平臺骨缺損外側加用了 T 形鋼板,與目前臨床常用術式相同,3 組不同之處在于植骨材料。術后 5 個月時 A 組的最大失效載荷和軸向剛度達到了 D 組水平,說明在術后 5 個月時 A 組幾乎達到了未骨折時的力學強度水平,而采用人工合成骨和自體骨處理的 B、C 組則完全未達到,實驗的理論設想基本得到了驗證。該結果提示在本研究條件下,鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨較人工合成骨或單純自體骨治療脛骨平臺塌陷型骨折效果更加可靠。
根據本實驗過程,我們認為采用該方法時需要注意以下事項:① 鎳鈦三維記憶合金網與缺損區大小匹配度:一是缺損區內部大小與三維記憶合金網的寬、高匹配,在一定程度上可以使得骨折缺損區域呈面狀受力,應力可及時分散,受力均勻,不存在線性受力、合金網松動、不恰當形變等問題,從而使三維記憶合金網起到有效的支撐作用。二是鎳鈦三維記憶合金網長度應超過缺損區,本實驗使用的鎳鈦三維記憶合金網較骨缺損長 2 mm,旨在便于外側的鋼板對合金網產生橫向加壓,從而增強合金網的縱向抗壓能力,使得合金網受到關節面縱向加壓時不易產生過大形變。② 自體骨夯實鎳鈦三維記憶合金網不留空隙,可以減少合金網的形變,也降低自體骨反復松動等風險。③ 鋼板與骨面的松緊:這取決于鋼板塑形程度以及螺釘的把持力等。鋼板與骨面良好貼附和牢固固定可給予合金網合適的橫向加壓,同時也有利于減少關節面的二次塌陷。④ 早期活動時間和強度:對于早期長時間行走和奔跑方面,本實驗未設置活動量不同的對照組,因此還需進一步實驗證明。
綜上述,對于比格犬脛骨平臺塌陷型骨折,使用三維記憶合金網復合自體骨治療效果優于人工合成骨和自體骨,術后 5 個月生物力學表現與正常脛骨平臺無統計學差異。但本研究還存在一些不足:① 人工合成骨組比格犬未行自體骨制備(腓骨截骨)處理,可能會影響檢測結果;② 比格犬術后于籠內活動,未進行正常活動;③ 未行連續 X 線片檢查,未能觀察到骨愈合連續過程。這些不足有待更大樣本量的活體動物實驗完善。